Die Wirtschaftlichkeit einer Windkraftanlage hängt maßgeblich von deren Verfügbarkeit ab. Oberste Prämisse muss daher sein, sich anbahnende Schäden möglichst vor deren Auftreten zu detektieren und entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten. Denn Reparaturen in Höhen von zum Teil mehr als 100 Metern oder auf rauer See sind nicht nur kostspielig, sondern auch ungemein zeitaufwendig.

Zwar sind die Fehlerraten bei der Elektronik höher als bei der Mechanik. Allerdings führen Schäden an den Hauptkomponenten des Antriebsstranges zu längeren Ausfallzeiten und sind in der Regel mit weitaus höheren Kosten verbunden.

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Das Thema Condition Monitoring – sprich die vorausschauende Zustandsüberwachung – gewinnt daher gerade in dieser Branche enorm an Bedeutung. Dabei stellt insbesondere die Dynamik des Windes eine erhebliche Herausforderung für die bewegten Komponenten einer Windenergie­anlage und deren Zustandsanalyse dar. Da die längsten Ausfallzeiten erfahrungsgemäß durch Schäden am Maschinenträger, am Getriebe, an den Rotorblättern, am Generator sowie an weiteren mechanischen Komponen­ten etwa zur Azimut-Einstellung verursacht werden, liegt hier ein Schwerpunkt der speziell auf die Überwachung von Windkraftanlagen ausgelegten Systeme.
Sukzessive mit Condition Monitoring Systemen (CMS) ausgerüstet werden Windenergieanlagen seit ungefähr zehn Jahren.

Gegenüber der turnusmäßigen Messung mit mobilen Geräten setzt sich zunehmend die permanente Online-Überwachung auf Basis eines fest installierten Diagnosesystems durch, welches in der Regel den Körperschall der überwachten Komponenten – also Hauptlager, Getriebe und Generator – misst. In einer Sekunde werden so pro Sensor 30 000 bis 50.000 Werte aufgezeichnet, aus denen die Angaben über den Anlagenzustand auszuwerten sind.

Mit „Ω-Guard“ hat die Firma Bachmann Monitoring (ehemals µ-Sen) ein solches System entwickelt, welches dem Betreiber eine permanente Online-Überwachung ermöglicht. Das System stellt dem Servicepersonal zwar Kennwert-Überschreitungen zur Verfügung; für eine zuverlässige Fehlermeldung müssen aber unter Umständen mehr als 50 der insgesamt mehr als 300 Kennwerte ausgewertet und zu Fehlerbildern komprimiert werden. Dabei sind teilweise mehrere Fehlermöglichkeiten aus unterschiedlichen Perspektiven zu betrachten, um eine sichere Aussage treffen und Vermutungen verifizieren beziehungsweise ausschließen zu können. Ergo bietet Ω-Guard dem Anlagenhersteller oder auch dem Betreiber einen entscheidenden Zusatznutzen:

Das Auswerten der Messergebnisse durch erfahrene Windkraft-Experten. Die sichere Fehlerdiagnose funktioniert dabei ähnlich wie ein komplexes Puzzle: Aus den vom System gemeldeten Kennwert-Überschreitungen setzen die Fachleute in der Fernüberwachungszentrale von Bachmann Monitoring in Rudolstadt mehrere Szenarien zusammen, die Informationen über Fehlerbilder liefern. Erst wenn diese Fehlerbilder zusammenpassen und der Fehler plausibel ist, wird eine Fehlermeldung erzeugt.

Im Detail besteht „Ω-Guard“ aus folgenden wesentlichen Hardware- und Softwarekomponenten: Mess- und Rechen-Einheit sowie Sensorik. Die Mess-Einheit und die angeschlossene Sensorik übernehmen die Auf­gabe der Messwert-Aufnahme und Signalkonditionierung. Diese vorgefilterten Daten werden in der RechenEinheit weiter analysiert und be­wertet. Außerdem initiiert sie den Datenversand via Modem (analog oder UMTS/GPRS) oder via Netzwerk-Anschluss (ISDN, DSL etc.). Die erste Bewertung der Messdaten, deren Speicherung sowie die selbsttätige Übertragung erfolgt auf dieser Grundlage automatisiert im CMS. Aufgrund des modularen Konzeptes lassen sich analoge und digitale Ein- und Ausgänge flexibel konfigurieren. Umfangreiche Selbsttestmöglichkeiten erlauben zudem einen detaillierten Funktions-Check. Die scriptorientierte Software ermöglicht darüber hinaus die einfache Anpassung an unterschiedliche Überwachungsaufgaben unter Berücksichtigung spezieller Anforderungen der technischen Betriebsführung.

Potenzieller Nutzen pro System und Jahr auf der Grundlage einer Studie des Deutschen Wind Institutes (DEWI); als Ersatzinvestition für eine 1,5-MW-Windenergieanlage werden etwa 150.000 Euro (Getriebe) und rund 37.500 Euro (Generator) angesetzt.

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Eine Kernkomponente des CMS ist der eigens für die Diagnose sehr langsam rotierender Wälzlager – wie etwa Haupt- oder Rotorlager – am Antriebsstrang der Windenergieanlage entwickelte Körperschallsensor μ-Bridge. Dessen Besonderheit besteht darin, dass er nicht wie kommerzielle piezoelektrische Beschleunigungssensoren als ein „Feder-Masse-System“ aufzufassen ist. Solche Systeme beziehungsweise Sensoren werden bei niedrigen Frequenzen prinzipbedingt immer unempfindlicher. Dieses Problem wird beim µ-Bridge durch seinen speziellen inneren Aufbau umgangen. Damit eignet sich dieses Sensorelement besonders zur Fehlerfrüherkennung bei extrem langsam laufenden Komponenten bis in den Sub-Herzbereich. Eine weitere sensorische Eigenentwicklung für die Turmüberwachung ist der „µ-Two“. Dieser Sensor dient unter anderem zur Detektion der Rotor-Unwucht. Typischerweise sind in einer Windkraftanlage sieben Körperschallsensoren installiert: zwei für die Rotorlagerung, drei am Getriebe, zwei an den Generatorlagern und optional Sensoren für den Turm mit der Gondel (Maschinenhaus). Weitere realisierbare Messgrößen sind: Windrichtung und Windgeschwindigkeit, Temperaturen (Außenluft, Gondel, Öl, Lagerstellen im Getriebe sowie am Generator), Druck (zum Beispiel Hydraulik-Öl, Getriebe-Öl), Statusmeldungen (zum Beispiel von Filtern und von Schmiereinrichtungen) sowie elektrische Messgrößen etwa zur Überwachung des Generators und des Umrichters.

Die Sensorsignale hören

Holger Fritsch, Geschäftsführer von Bachmann Monitoring: „Unserer Erfahrung nach ist statistisch etwa jede zehnte Anlage von einem relevanten Schaden betroffen – viele davon lassen sich durch Einsatz eines CM-Systems von vornherein vermeiden.“

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Die Konfiguration des CMS lässt sich mittels des Web-Frontends „Weblog“ vornehmen – entweder in der Windenergieanlage selbst oder aber auch von einer dezentralen Überwachungsstelle aus. Bei Weblog handelt es sich um ein Programm, welches neben einfachen Visualisierungen die Möglichkeit bietet, Sensorsignale akustisch wiederzugeben. Damit können auch Nichtfachleute Unregelmäßigkeiten wie zum Beispiel Klopfgeräusche aus dem Getriebe erkennen. Das WebLog dient außerdem als Kommunikationsschnittstelle zum Condition Monitoring System und ermöglicht einen standortunabhängigen Zugriff auf die Zustandsdaten der Anlage. Alarmmeldungen werden dem Anwender über ein Statusfenster sig­nalisiert sowie per E-Mail oder SMS verschickt. Gleichzeitig steht über die integrierte Datenbank eine Trendanalyse der einzelnen Maschinenbauteile und Aggregate zur Verfügung.

Auf der Grundlage von Ω-Guard beziehungsweise Weblog ist also der Anlagenhersteller oder Betreiber grundsätzlich selbst in der Lage, eine vorbeugende Zustandsüberwachung vorzunehmen. Gleichwohl wird der Großteil der mit diesem System ausgerüsteten Windenergieanlagen aus oben genannten Gründen in der Bachmann-Servicezentrale in Rudolstadt überwacht. „Das Know-how hierfür haben sich unsere Mitarbeiter in der Überwachungsstelle im Laufe der Zeit erworben“, betont Holger Fritsch, einer der beiden Geschäftsführer von Bachmann Monitoring, und ergänzt: „Aktuell überwachen wir rund 1250 Windenergieanlagen mit insgesamt mehr als 2 GW kulminierter Anlagenleistung. Weitere Servicezentralen in den USA und Asien sind in Planung, so dass wir in Zukunft einen 24/7-Service anbieten können, der alle Zeitzonen abdeckt.“ Beide CMS-Komponenten – sowohl die Hard- und Software als auch die Servicezentrale in Rudolstadt – sind vom Germanischen Lloyd zerti­fiziert.
Mit der Integration von Anlagensteuerung und CMS als ganzheitlichem Ansatz lassen sich die geschilderten Vorteile der vorbeugenden Zustandsüberwachung in Zukunft noch weiter steigern. Durch die Kombination der Sensorsignale mit dem Betriebszustand der Windkraftanlage sind unter anderem auch sehr komplexe Zusammenhänge zwischen den Anlagenparametern erkennbar. Konkret zielen aktuelle Weiterentwicklung der CM-Systeme auf die Integration neuer Diagnose- und Überwachungsaufgaben wie:

■    Rotorblattdiagnose (mit Eisansatz),
■    Unwucht-Überwachung,
■    Partikelzählung im Getriebe-Öl,
■    Bauwerk-Überwachung oder auch
■    Schaffung von Werkzeugen zur Prognose von Schadensverläufen (Forschungsprojekt „ProCon“).

Voraussetzung für echte Synergie-Effekte ist allerdings, dass die vom CMS erfassten Daten dem Automatisierungssystem ohne Schnittstellenaufwand zur Verfügung stehen und umgekehrt.